Teleskop Webba jest już z nami 4 lata. To „kosmiczne oko” zmieniło nasze spojrzenie na wszechświat

Jako największy redakcyjny entuzjasta tematyki kosmosu i właściciel amatorskiego teleskopu, od lat już z wielkim zainteresowaniem śledzę historię powstania i badania prowadzone przez Teleskop Webba. A że urządzenie to już od czterech lat odkrywa przed nami tajemnice wszechświata, to mamy wyśmienitą okazję, by przyjrzeć się bliżej tej technologicznej perełce. Ale nie tylko dlatego. Główny powód jest taki, że w istocie nic o porównywalnych do teleskopu Webba możliwościach wcześniej nie powstało.

Teleskop Webba: trudne narodziny

Z dzisiejszej perspektywy początkowe założenia konstrukcyjne następcy teleskopu Hubble’a wydają się śmieszne. Myśleć o nim zaczęto bardzo szybko, bo już w połowie lat 90. Zakładano wówczas, że wszystko pójdzie z górki i sprzęt zacznie działać w 2007 roku, będzie wyposażony w zwierciadło główne o średnicy ośmiu metrów, a koszty budowy zamkną się w 500 mln dolarów. Zapewne nikt wtedy nie zdawał sobie sprawy, jak bardzo przedsięwzięcie odwlecze się w czasie i o ile wzrosną nakłady finansowe.

Po trwających całe lata przepychankach związanych ze specyfikacją urządzenia i wyszarpywaniu od amerykańskiego Kongresu coraz większych kwot stanęło na zmianie założeń konstrukcyjnych. Ostatecznie średnicę zwierciadła głównego (czyli instrumentu, który odpowiada za „zbieranie” światła – im jest większe, tym lepiej, mówiąc w skrócie) zmniejszono do 6,5 m, koszty finalnie zamknęły się zaś w 10 mld dolarów. Jak duża jest to kwota? W przybliżeniu można rzec, że odpowiada ona jednej dwudziestej piątej obecnego budżetu Polski.

Zupełnie nowa konstrukcja

Jak się okazało, nawet wspomniana mniejsza średnica zwierciadła głównego była zbyt duża, by teleskop mógł przybrać formę zbliżoną do teleskopu Hubble’a. Z tego względu Teleskop Jamesa Webba musiał zostać zaprojektowany od podstaw w zupełnie inny sposób. Konieczne stało się zastosowanie składanego, zbudowanego z sześciokątnych segmentów lustra. W toku badań okazało się, że najlepszym materiałem do ich wykonania jest beryl, który cechuje się świetną odpornością mechaniczną w stosunku do swej niewielkiej masy, dobrze też utrzymuje kształt w szerokim zakresie temperatur. Tyle że zupełnie nie nadaje się do pełnienia funkcji lustra. Dlatego oszlifowane berylowe segmenty pokryto warstwą złota o grubości 100 mikronów – ogółem w toku produkcji zużyto 48 g tego cennego surowca (czyli tyle, ile waży piłeczka golfowa), pokrywając nim ok. 25 m² zwierciadła.

Produkcja zwierciadła teleskopu trwała osiem lat. Składa się ono z osiemnastu segmentów, każdy zaś wraz z oprzyrządowaniem waży niecałe 40 kg, z czego ok. 20 kg przypada na sam beryl. Jak nietrudno policzyć – razem to ok. 700 kg. Sporo? Niekoniecznie! Lustro Teleskopu Hubble’a przy średnicy 2,4 m waży 828 kg. Obydwa instrumenty mają więc porównywalną masę, ale ten nowy cechuje się niemal sześciokrotnie większą powierzchnią zbiorczą – co przy obserwacjach kosmicznych ma znaczenie z grubsza takie samo jak dobra karta graficzna w graniu. Ogółem Teleskop Jamesa Webba waży 6,5 tony, czyli niemal dwukrotnie mniej od swojego utytułowanego poprzednika o masie 11,11 tony. Co, jak się okazuje, ma kolosalne znaczenie.

Unikatowe miejsce prowadzenia obserwacji

Im mniejsza masa, tym łatwiejsze i tańsze jest wyniesienie ładunku w przestrzeń kosmiczną – jest to dość oczywiste. Przy teleskopie Webba jest to tym istotniejsze, że został on zaparkowany nie na niskiej orbicie Ziemi (Hubble unosi się ok. 540 km nad planetą), a znacznie dalej. NASA umieściła bowiem JWST w tzw. punkcie libracyjnym L₂ – mówiąc pokrótce, to takie miejsce na linii przecinającej Słońce i Ziemię, gdzie urządzenie będzie mogło zachować stałą pozycję względem tych ciał niebieskich. Jak daleko zatem poleciał? Na odległość 1,5 mln kilometrów, czyli niemal czterokrotnie dalej, niż człowiek kiedykolwiek oddalił się od swej macierzystej planety.

Przekłada się to na prosty fakt: w przeciwieństwie do teleskopu Hubble’a serwisowanie JWST w przestrzeni kosmicznej nie jest możliwe. Obserwatorium dotarło w swoje docelowe miejsce i… tyle. Jeśli okaże się, że ulegnie awarii, to jedyne, co nam pozostanie, to próby zdalnej naprawy w postaci np. skorzystania z przygotowanych z taką myślą systemów zapasowych. Jeśli jednak to zawiedzie, wówczas będziemy musieli pogodzić się z myślą, że kosztujący 10 mld dolarów sprzęt stał się umieszczonym w kosmosie obiektem muzealnym.

Rygorystyczne teksty i specjalna budowa

NASA oczywiście zabezpieczyła się przed tego rodzaju ewentualnością na wiele sposobów. Wspomniane lustro – a konkretnie jego wersję testową – sprawdzono pod kątem przeciążeń przy starcie, przeszło też testy uderzeniowe na okoliczność spotkania z mikrometeoroidami. Elektronika, ba, nawet elementy zwierciadła, mają swoje zapasowe odpowiedniki. Teleskop w całości, jak i jego części, mrożono, naświetlano, składano i rozkładano, by sprawdzić, czy wszystko gra. Wyciągnięto też lekcję z początkowej porażki Hubble’a. Do sprawdzenia optyki JWST stworzono zupełnie nowe narzędzia – nie używano tych, które zastosowano do produkcji lustra, co było przyczyną początkowej fatalnej jakości obrazu Hubble’a i wymusiło jego naprawę na orbicie (nosi on przez to „okulary”, mówiąc nawiasem).

Spodoba Ci się

Aktualności

Webb: Tak powstają księżyce wokół egzoplanety. System planetarny w budowie

Aktualności

Kosmiczny „Motyl”. Webb pokazuje nowe oblicze miejsca narodzin planet

Aktualności

Kocia Łapa w kosmosie. Spektakularne zdjęcie na trzecią rocznicę Teleskopu Jamesa Webba

Sprawdzono też osłonę termiczną – czyli ten charakterystyczny „żagiel” teleskopu. Jego obecność jest konieczna, gdyż urządzenie zaprojektowano do pracy w temperaturze poniżej -213°C – a takiej nie da się osiągnąć, gdy na instrumenty pada światło słoneczne oraz… odbite od Ziemi i Księżyca promieniowanie naszej gwiazdy. Teleskop wyposażono więc w pięciowarstwowy płaszcz o wielkości mniej więcej odpowiadającej powierzchni kortu tenisowego. Oczywiście składanie i rozkładanie go też przetestowano – zresztą podczas jednego z takich sprawdzianów uległ on uszkodzeniu, co zaowocowało kolejnymi opóźnieniami. Jeśli dołożyć do tego zawirowania związane z sytuacją pandemiczną, to sumarycznie testy, naprawy i oczekiwanie na start przeciągnęły się do niemal pięciu lat.

Kosmiczny trzmiel, czyli możliwości teleskopu

Teleskop Jamesa Webba operuje w widmie podczerwieni – a więc inaczej niż teleskop Hubble’a, który obejmuje spektrum od bliskiego ultrafioletu przez całe światło widzialne do bliskiej podczerwieni. To jednak zaleta: obserwując kosmos w ten sposób, widzimy więcej. Kombinacja możliwości optycznych i zainstalowanych instrumentów pozwala nam spojrzeć 13,5 mld lat wstecz. Jest to związane z tym, że światło podróżuje przez próżnię ze stałą prędkością ok. 300 tys. km/s – spoglądając dalej, niejako cofamy się w czasie. Dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć np. wyjątkowo stare galaktyki, które pojawiły się niedługo (w kosmicznej skali czasu, rzecz jasna) po narodzinach wszechświata.

Według obowiązujących danych wiek wszechświata szacuje się na 13,82 mld lat. Teleskop Hubble’a, tworząc obraz obraz noszący nazwę Ultragłębokie Pole Hubble’a poprzez serię ok. 800 ujęć naświetlanych w sumie przez ponad dwa tygodnie, wyłuskał galaktyki powstałe 13 mld lat temu – i choć całość robi to kolosalne wrażenie, to rozdzielczość pojedynczych obiektów była jednak dość mizerna. Teraz jest pod każdym względem lepiej. Możliwości aparatury JWST obrazuje zresztą przykład podany przez NASA: czysto teoretycznie urządzenie byłoby w stanie dostrzec trzmiela z odległości równej dystansowi między Ziemią a Księżycem.

W praktyce zaś pierwszy dowód na niesamowitą rozdzielczość i możliwości tego obserwatorium zyskaliśmy, gdy NASA opublikowała zdjęcia obszaru oznaczonego jako SMACS 0723. Zdjęcie, nazwane Webb’s First Deep Field, naświetlało się ledwie 12,5 godziny – a efekt pracy był znacznie lepszy od tego, co pokazał teleskop Hubble’a, tworząc zdjęcia Ultra Deep Field i eXtreme Deep Field. Mowa tu o innych obszarach nieb – trudno więc mówić o bezpośrednim porównaniu, tym niemniej starszy z teleskopów „pocił się” nad drugim ze wspomnianych zdjęć przez bardzo długi czas. Sama ekspozycja zajęła tu ok. 22 dni.

Długa podróż w docelowe miejsce

Co ciekawe, teleskop został wysłany w kosmos rakietą o rodowodzie europejskim – Ariane 5, którą wystrzelono z Gujany Francuskiej 25 grudnia 2021 roku. Niedługo po oddzieleniu się od niej z teleskopu wysunął się panel słoneczny odpowiedzialny za zasilanie urządzenia, uruchomiono antenę potrzebną do komunikacji z Ziemią i wprowadzono kluczowe dla powodzenia misji korekty trajektorii. To jednak był dopiero początek czasochłonnej procedury związanej z uruchomieniem kosmicznego obserwatorium. Wkrótce później zaczęto nanosić dalsze korekty kursu, rozłożyła się również osłona termiczna i radiatory odpowiedzialne na chłodzenie aparatury. W ciągu następnego miesiąca to samo stało się ze zwierciadłem wtórnym oraz dwoma skrzydłami zwierciadła głównego. Proces schładzania teleskopu trwał kilka kolejnych tygodni.

Ogółem przygotowywanie teleskopu do pracy, diagnostyka, podróż w miejsce docelowe i pierwsze testy, których lwią część zajęło strojenie optyki trwały kilka kolejnych miesięcy. Szczególnie to ostatnie okazało się wymagającą czynnością: rozłożona na długie tygodnie kalibracja wymagała ogromnej precyzji, gdyż zwierciadło główne składa się z segmentów, a każdy z nich trzeba było ustawić tak, by działały razem, pokazując jednolity obraz – pierwsze fotografie testowe wyglądały bowiem jak mozaika podzielona na wiele zniekształconych fragmentów. Sporo czasu zajęło również sprawdzenie systemów pozycjonowania i śledzenia obiektów – tutaj NASA posłużyła się m.in. ciałami niebieskimi Układu Słonecznego.

Teleskop Webba: pierwsze zdjęcia i cztery lata pracy

12 lipca 2022 roku teleskop Jamesa Webba oficjalnie rozpoczął działalność naukową. Już pierwsze opublikowane obrazy pokazały, że astronomia wkroczyła w nową epokę. Zakres podczerwieni, w którym pracuje obserwatorium, pozwolił na obserwacje daleko wykraczające poza to, co umożliwiał teleskop Hubble’a. Szybko okazało się, że dzięki Webbowi możemy zaglądać przez kosmiczny pył i rejestrować światło galaktyk powstałych zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. W ciągu czterech lat Webb poczynił tysiące obserwacji, ukazując nam obiekty wcześniej niedostępne – od najodleglejszych galaktyk po atmosfery egzoplanet.

Największym osiągnięciem teleskopu jest jednak przesunięcie granic obserwowalnego Wszechświata. Programy takie jak JADES ujawniły populację zaskakująco masywnych i zróżnicowanych galaktyk z epoki zaledwie 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ich istnienie zmusiło astronomów do ponownego przemyślenia modeli powstawania pierwszych struktur kosmicznych.

Spodoba Ci się

Aktualności

Teleskop Webba zajrzał do wnętrza Centaurusa A. NASA pokazała niezwykły obraz galaktyki ukształtowanej przez kosmiczne zderzenie

Aktualności

Teleskop Webba zajrzał przez kosmiczny pył. Nowe zdjęcie ukazuje narodziny gwiazd w układzie FS Tau

Aktualności

Webb: Einstein miał rację, a kosmiczny teleskop fakt ten spektakularnie potwierdza

Szybko też okazało się, że głębokie obrazowanie to tylko jedna z zalet Webba. Ogromną różnicę w stosunku do tego, co mieliśmy wcześniej, zrobiła spektroskopia – analiza światła, która pozwala określić skład chemiczny, temperaturę, ruch i historię obiektów. Dzięki temu teleskop bada narodziny gwiazd, ewolucję galaktyk oraz warunki na egzoplanetach w sposób, który wcześniej był po prostu niemożliwy.

Wyzwania techniczne bez wpływu na misję

Co również warte zauważenia, dotychczasowa misja Webba nie obyła się bez problemów. Już w pierwszych miesiącach teleskop zmierzył się z uderzeniami mikrometeoroidów. Jedno z nich w maju 2022 roku było silniejsze od przewidywań i uszkodziło jeden segment zwierciadła, ale system aktywnej kontroli optyki skutecznie skompensował efekt. Po tym zdarzeniu zresztą NASA zaczęła minimalizować ryzyko, nie kierując już obserwatorium w stronę, z której najczęściej nadlatują te „kosmiczne okruchy”.

Pojawiły się także drobniejsze problemy techniczne, przede wszystkim związane z instrumentem MIRI (Mid-Infrared Instrument) pracującym w średniej podczerwieni. W 2022 roku doszło do awarii mechanizmu w jednym z trybów obserwacyjnych, co zmusiło zespół misji do tymczasowego wstrzymania wybranych pomiarów. Dzięki precyzyjnej diagnostyce i wprowadzeniu alternatywnych procedur operacyjnych usterkę udało się skutecznie obejść, a instrument wrócił do pełnej funkcjonalności. Żaden z tych incydentów – ani uderzenia mikrometeoroidów, ani kwestie MIRI – nie zagroził misji jako całości. Dzięki solidnemu projektowi i elastyczności zespołu teleskop nadal działa powyżej wymagań technicznych, dostarczając dane najwyższej jakości nawet po czterech latach intensywnej eksploatacji.

Trwałe dziedzictwo

Wszystko to sprawiło, że Teleskop James Webba stał się kluczowym narzędziem astronomii. Potwierdził, że pierwsze galaktyki formowały się szybciej i były bardziej zróżnicowane, niż sądzono, dostarczył bezprecedensowych danych o egzoplanetach i odsłonił szczegóły narodzin gwiazd ukryte za pyłem. Budowa tego obserwatorium trwała ponad dwie dekady i kosztowała około 10 miliardów dolarów, znacząco przekraczając pierwotny budżet – ale już dziś możemy powiedzieć, że inwestycja zwraca się z nawiązką. A to dopiero, jak się okazuje, początek.

Misja Teleskopu Jamesa Webba została zaprojektowana z myślą o minimalnym okresie pracy naukowej na poziomie 5 lat – ale przy równoczesnym dążeniu do celu optymalnego w postaci 10 lat obserwacji. Tyle że… udało się lepiej niż zakładano. Dzięki bardzo precyzyjnemu wejściu na orbitę wokół punktu L2 i mniejszemu niż zakładano zużyciu paliwa podczas manewrów korekcyjnych, teleskop ma obecnie wystarczający zapas propelentu na… ponad 20 lat operacji. Ostateczna długość misji będzie oczywiście zależała nie tylko od paliwa, ale także od stanu technicznego instrumentów i zwierciadła. Ale jako że już teraz, po czterech latach działania, Webb znacząco przekracza pierwotne oczekiwania, to fakt ten pozwala optymistycznie patrzeć w przyszłość i liczyć na kolejne przełomowe odkrycia i – co nie mniej ważne – mnóstwo pięknych fotografii najdalszych zakątków kosmosu.

Bonus: Teleskop Webba – galerie najlepszych zdjęć z czterech lat

Jeśli chcecie nacieszyć oczy kosmicznymi zdjęciami, to NASA w ostatnich dniach opublikowała kilka wyśmienitych zdjęć z okazji 250. rocznicy niepodległości Stanów Zdjednoczonych. To spektakularne ujęcia galaktyki Centaurus A, narodziny nowych gwiazd w układzie FS Tau oraz pozostałości po supernowej Cassiopeia A, czyli prawdziwy kosmiczny fajerwerk w barwach flagi USA. Ponadto poniżej, w galerii, znajdziecie zestawienie wybranych, moim zdaniem najlepszych zdjęć z ostatnich lat.

Ale to nie koniec! Z okazji rocznicy przygotowaliśmy zestawienia najlepszych naszym zdaniem zdjęć z ostatnich lat. Otwierają je fotografie z 2022 roku, wśród których znajdziecie m.in. spektakularnie wyglądającego Jowisza. Rok 2023 przyniósł wyśmienite ujęcia mgławic, zaś w 2024 dostaliśmy sporo udanych zdjęć galaktyk. Nasze zestawienia kończymy rokiem 2025, kiedy znów dostaliśmy rewelacyjną porcję mgławic i nie tylko – na wszystkie warto rzucić okiem.